JP3257808B2 - 固体レーザ材料及び固体レーザ装置 - Google Patents
固体レーザ材料及び固体レーザ装置Info
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- JP3257808B2 JP3257808B2 JP29782691A JP29782691A JP3257808B2 JP 3257808 B2 JP3257808 B2 JP 3257808B2 JP 29782691 A JP29782691 A JP 29782691A JP 29782691 A JP29782691 A JP 29782691A JP 3257808 B2 JP3257808 B2 JP 3257808B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザーダイオードを
励起源とする固体レーザ材料に関するものである。
励起源とする固体レーザ材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ＹＡＧレーザのような固体レーザは、希
ガスアークランプを使って励起するのが一般的である
が、装置が大がかりになり、効率が悪くランプ寿命が短
いことが欠点として指摘されている。このような状況か
ら、近年、レーザーダイオードを励起源とするレーザー
ダイオード励起ＹＡＧレーザが開発され、各方面で注目
を集めている。
ガスアークランプを使って励起するのが一般的である
が、装置が大がかりになり、効率が悪くランプ寿命が短
いことが欠点として指摘されている。このような状況か
ら、近年、レーザーダイオードを励起源とするレーザー
ダイオード励起ＹＡＧレーザが開発され、各方面で注目
を集めている。
【０００３】上記レーザーダイオード励起ＹＡＧレーザ
は、ロッド状のＮｄ：ＹＡＧ結晶の端面から励起光を照
射し、これを励起するもので、レーザーダイオードの波
長を８０８ｎｍ付近にあるＮｄ：ＹＡＧ結晶の強い吸収
帯に合わせて励起すると、効率が飛躍的に向上するとい
う特徴を有する。さらには、レーザーダイオードを高出
力化するとレーザーパワーが一層強力なものとなるとい
う特徴も有する。
は、ロッド状のＮｄ：ＹＡＧ結晶の端面から励起光を照
射し、これを励起するもので、レーザーダイオードの波
長を８０８ｎｍ付近にあるＮｄ：ＹＡＧ結晶の強い吸収
帯に合わせて励起すると、効率が飛躍的に向上するとい
う特徴を有する。さらには、レーザーダイオードを高出
力化するとレーザーパワーが一層強力なものとなるとい
う特徴も有する。
【０００４】例えば、典型的なクリプトン励起の場合、
クリプトンランプを発光させるには２ｋＷ程度の電力が
必要で、これによって得られるＹＡＧレーザ出力は８Ｗ
程度である。したがって、電気−光変換効率は約０．４
％である。また、クリプトン励起の場合には、水冷する
必要があり、ランプ寿命は数百時間である。
クリプトンランプを発光させるには２ｋＷ程度の電力が
必要で、これによって得られるＹＡＧレーザ出力は８Ｗ
程度である。したがって、電気−光変換効率は約０．４
％である。また、クリプトン励起の場合には、水冷する
必要があり、ランプ寿命は数百時間である。
【０００５】これに対して、レーザーダイオード励起の
場合、レーザーダイオードを発光させるには１Ｗ程度の
電力が必要で、このときのＹＡＧレーザ出力は６０ｍＷ
程度である。したがって、電気−光変換効率は６％に達
することになる。レーザーダイオードの場合、空冷で十
分であり、寿命も数千時間である。
場合、レーザーダイオードを発光させるには１Ｗ程度の
電力が必要で、このときのＹＡＧレーザ出力は６０ｍＷ
程度である。したがって、電気−光変換効率は６％に達
することになる。レーザーダイオードの場合、空冷で十
分であり、寿命も数千時間である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、通常、Ｎ
ｄ：ＹＡＧ等の固体レーザ材料は、ほぼ一様な発振金属
イオンを１つのロッドまたはスラブ中に含み、それ自身
は光学的には厚板のような働きしか持ち合わせていな
い。しかしながら、上述のレーザーダイオード励起ＹＡ
Ｇレーザの場合のように、固体レーザ材料ロッドに励起
光等の熱源が与えられると、温度分布が生じ、これが屈
折率分布となって全体がレンズのような働きをする。
ｄ：ＹＡＧ等の固体レーザ材料は、ほぼ一様な発振金属
イオンを１つのロッドまたはスラブ中に含み、それ自身
は光学的には厚板のような働きしか持ち合わせていな
い。しかしながら、上述のレーザーダイオード励起ＹＡ
Ｇレーザの場合のように、固体レーザ材料ロッドに励起
光等の熱源が与えられると、温度分布が生じ、これが屈
折率分布となって全体がレンズのような働きをする。
【０００７】これがいわゆる熱レンズ効果であり、従来
は外部に補正用レンズを配置して共振器の安定を保つよ
うにしている。ところが、補正レンズを配置すると、補
正レンズ自身が共振器内損失を増加させてしまうため、
レーザの出力が減少する等の不都合が生じ、また十分な
補正が困難な場合が多々ある。
は外部に補正用レンズを配置して共振器の安定を保つよ
うにしている。ところが、補正レンズを配置すると、補
正レンズ自身が共振器内損失を増加させてしまうため、
レーザの出力が減少する等の不都合が生じ、また十分な
補正が困難な場合が多々ある。
【０００８】そこで本発明は、かかる従来の実情に鑑み
て提案されたもので、外部レンズを用いることなく熱レ
ンズ効果を解消することができ、共振器内の損失を抑制
することが可能な固体レーザ材料を提供することを目的
とする。
て提案されたもので、外部レンズを用いることなく熱レ
ンズ効果を解消することができ、共振器内の損失を抑制
することが可能な固体レーザ材料を提供することを目的
とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明の固体レーザ材料は、端面への励起光の照
射によりレーザ光を出力するロッド状の固体レーザ材料
において、上記材料の径方向の温度分布により生じる屈
折率分布を相殺するような屈折率分布を径方向に持たせ
て構成されたことを特徴とするものである。また、本発
明の固体レーザ装置は、端面への励起光の照射によりレ
ーザ光を出力するロッド状の固体レーザ材料において、
当該材料の径方向の温度分布により生じる屈折率分布を
相殺するような屈折率分布を径方向に持たせて構成され
た固体レーザ材料と、前記固体レーザ材料の端面に励起
光を照射する励起源とを備えることを特徴とするもので
ある。
めに、本発明の固体レーザ材料は、端面への励起光の照
射によりレーザ光を出力するロッド状の固体レーザ材料
において、上記材料の径方向の温度分布により生じる屈
折率分布を相殺するような屈折率分布を径方向に持たせ
て構成されたことを特徴とするものである。また、本発
明の固体レーザ装置は、端面への励起光の照射によりレ
ーザ光を出力するロッド状の固体レーザ材料において、
当該材料の径方向の温度分布により生じる屈折率分布を
相殺するような屈折率分布を径方向に持たせて構成され
た固体レーザ材料と、前記固体レーザ材料の端面に励起
光を照射する励起源とを備えることを特徴とするもので
ある。
【００１０】
【作用】固体レーザ材料ロッドに励起光等の熱源が与え
られると、熱レンズ効果によって屈折率分布が生じ、あ
たかもレンズのように働く。本発明においては、固体レ
ーザ材料自身がロッドの径方向に屈折率分布を有するの
で、前記熱レンズ効果による屈折率分布が相殺され、外
部レンズによる補正が不要となる。
られると、熱レンズ効果によって屈折率分布が生じ、あ
たかもレンズのように働く。本発明においては、固体レ
ーザ材料自身がロッドの径方向に屈折率分布を有するの
で、前記熱レンズ効果による屈折率分布が相殺され、外
部レンズによる補正が不要となる。
【００１１】
【実施例】以下、本発明を適用した具体的な実施例につ
いて、図面を参照しながら詳細に説明する。
いて、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】先ず、本発明の固体レーザ材料が適用され
るレーザーダイオード励起ＹＡＧレーザの構成例につい
て説明する。レーザーダイオード励起ＹＡＧレーザは、
図１に示すように、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶からなるレーザー
ロッド１と、このレーザロッド１を励起するための励起
源であるレーザーダイオード２とを主な構成要素とする
ものである。そして、本例では、チタノリン酸カリウム
（ＫＴＰ）等の非線形光学結晶３がＹＡＧレーザの共振
器に組み込まれており、赤外（１０６４ｎｍ）で発振す
るＮｄ：ＹＡＧレーザの波長をその半分の５３２ｎｍに
変換するような構成とされている。
るレーザーダイオード励起ＹＡＧレーザの構成例につい
て説明する。レーザーダイオード励起ＹＡＧレーザは、
図１に示すように、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶からなるレーザー
ロッド１と、このレーザロッド１を励起するための励起
源であるレーザーダイオード２とを主な構成要素とする
ものである。そして、本例では、チタノリン酸カリウム
（ＫＴＰ）等の非線形光学結晶３がＹＡＧレーザの共振
器に組み込まれており、赤外（１０６４ｎｍ）で発振す
るＮｄ：ＹＡＧレーザの波長をその半分の５３２ｎｍに
変換するような構成とされている。
【００１３】上記レーザーダイオード励起ＹＡＧレーザ
では、レーザーダイオード２で発生するレーザ光が、ポ
ンピング光（励起光）としてコリメータレンズ４及び集
光レンズ５を介してレーザーロッド１の端面に照射さ
れ、このレーザーロッド１を励起する。一方、レーザー
ロッド１の出力側には、１／４波長板６や出力ミラー７
が光軸上に配置されている。ここで、ＹＡＧ結晶（レー
ザーロッド１）の端面は１０６４ｎｍの赤外光に対して
高反射率ミラーとなっており、また出力ミラー７も赤外
光に対して高反射率を示すことから、これら２つのミラ
ーの間で赤外光に対するレーザー共振器が構成されるこ
とになる。
では、レーザーダイオード２で発生するレーザ光が、ポ
ンピング光（励起光）としてコリメータレンズ４及び集
光レンズ５を介してレーザーロッド１の端面に照射さ
れ、このレーザーロッド１を励起する。一方、レーザー
ロッド１の出力側には、１／４波長板６や出力ミラー７
が光軸上に配置されている。ここで、ＹＡＧ結晶（レー
ザーロッド１）の端面は１０６４ｎｍの赤外光に対して
高反射率ミラーとなっており、また出力ミラー７も赤外
光に対して高反射率を示すことから、これら２つのミラ
ーの間で赤外光に対するレーザー共振器が構成されるこ
とになる。
【００１４】また、このレーザー共振器には、非線形光
学結晶３が組み込まれていることから、第２高調波（Ｓ
ＨＧ）を発生することができる。すなわち、非線形光学
結晶３として用いられるＫＴＯ結晶は、ｘ，ｙ，ｚ軸方
向で異なる屈折率を持っている。そして、ｏ軸をＫＴＰ
結晶のｚ軸にとり、ｅ軸をＫＴＰ結晶のｘｙ面内でｘ軸
から２３〜２５°付近の所定角度にとるように方位を設
定すると、第２高調波のグリーン光が発生する。したが
って、出力ミラー７を第２高調波のグリーン光をよく透
過するように設計しておけば、アルゴンイオンレーザ級
のグリーンレーザ光が得られる。
学結晶３が組み込まれていることから、第２高調波（Ｓ
ＨＧ）を発生することができる。すなわち、非線形光学
結晶３として用いられるＫＴＯ結晶は、ｘ，ｙ，ｚ軸方
向で異なる屈折率を持っている。そして、ｏ軸をＫＴＰ
結晶のｚ軸にとり、ｅ軸をＫＴＰ結晶のｘｙ面内でｘ軸
から２３〜２５°付近の所定角度にとるように方位を設
定すると、第２高調波のグリーン光が発生する。したが
って、出力ミラー７を第２高調波のグリーン光をよく透
過するように設計しておけば、アルゴンイオンレーザ級
のグリーンレーザ光が得られる。
【００１５】以上がレーザーダイオード励起ＹＡＧレー
ザの概略構成であるが、このレーザーダイオード励起Ｙ
ＡＧレーザにおいては、レーサーロッド１がレーザーダ
イオード２からのポンピング光によって加熱され、いわ
ゆる熱レンズ効果によってロッド中心で屈折率の大きい
２次曲線的屈折率分布となる。
ザの概略構成であるが、このレーザーダイオード励起Ｙ
ＡＧレーザにおいては、レーサーロッド１がレーザーダ
イオード２からのポンピング光によって加熱され、いわ
ゆる熱レンズ効果によってロッド中心で屈折率の大きい
２次曲線的屈折率分布となる。
【００１６】例えば、図２は、上記レーザーロッド（Ｎ
ｄ：ＹＡＧ）１の直径を３ｍｍ、長さを５ｍｍとし、そ
の吸収係数、熱伝導係数及び屈折率温度係数をそれぞれ
０．６ｍｍ-1、０．０１３Ｗ／ｍｍ・deg 、７．３×１
０-6deg -1とし、且つ励起条件として開口数０．２（た
だし、空気中）で収束する一様強度分布を有するポンピ
ング光（励起光）がレーザーロッド１の端面付近で約７
００μｍの直径を有し、レーザーロッド１内で発生する
総発熱量を３．５Ｗとしたときの、選択的励起により発
生する温度分布を数値解析により求めた結果を示したも
のである。
ｄ：ＹＡＧ）１の直径を３ｍｍ、長さを５ｍｍとし、そ
の吸収係数、熱伝導係数及び屈折率温度係数をそれぞれ
０．６ｍｍ-1、０．０１３Ｗ／ｍｍ・deg 、７．３×１
０-6deg -1とし、且つ励起条件として開口数０．２（た
だし、空気中）で収束する一様強度分布を有するポンピ
ング光（励起光）がレーザーロッド１の端面付近で約７
００μｍの直径を有し、レーザーロッド１内で発生する
総発熱量を３．５Ｗとしたときの、選択的励起により発
生する温度分布を数値解析により求めた結果を示したも
のである。
【００１７】図２において、ｘ軸はレーザーロッド１の
半径ｒ（ｍｍ）を示し、ｙ軸は入力パワーで規格化され
た温度上昇(deg／watt）を示す。各曲線は、Ｚ軸（光
軸）に垂直な断面内の温度分布で、０．２ｍｍ毎、すな
わちＺ＝０（レーザーロッド１の励起側端面），０．
２，０．４，・・・・（ｍｍ）の各断面における温度分
布に対応する。この温度分布によって、固体レーザ材
料、すなわちＮｄ：ＹＡＧの屈折率温度係数を乗じた不
均一屈折率分布がレーザーロッド１に誘起される。
半径ｒ（ｍｍ）を示し、ｙ軸は入力パワーで規格化され
た温度上昇(deg／watt）を示す。各曲線は、Ｚ軸（光
軸）に垂直な断面内の温度分布で、０．２ｍｍ毎、すな
わちＺ＝０（レーザーロッド１の励起側端面），０．
２，０．４，・・・・（ｍｍ）の各断面における温度分
布に対応する。この温度分布によって、固体レーザ材
料、すなわちＮｄ：ＹＡＧの屈折率温度係数を乗じた不
均一屈折率分布がレーザーロッド１に誘起される。
【００１８】有限要素法を用いて熱解析を行うと、光軸
に垂直な平面内で最大３５℃の温度差が、また光軸方向
には５３℃の温度差が生じ、これにより誘起される屈折
率差は、２．５×１０-4及び４×１０-4となる。したが
って、焦点距離が約４００ｍｍの熱レンズが発生するこ
とになる。
に垂直な平面内で最大３５℃の温度差が、また光軸方向
には５３℃の温度差が生じ、これにより誘起される屈折
率差は、２．５×１０-4及び４×１０-4となる。したが
って、焦点距離が約４００ｍｍの熱レンズが発生するこ
とになる。
【００１９】そこで本実施例では、上記レーザーロッド
１の中心部分の屈折率を予め小さくしておき、これを補
正することとする。レーザーロッド１の中心部分の屈折
率を小さくするには、屈折率分布レンズを作製する場合
と同様、レーザーロッド１の外側から光学的特性を損な
わない範囲で金属イオンをドープすればよい。金属イオ
ンをドープすると、イオンの種類によりドープ部分の屈
折率が変化する。したがって、イオンの種類やドープ量
を選択することにより、前記温度分布による屈折率分布
を解消し得る屈折率分布を付与することができる。
１の中心部分の屈折率を予め小さくしておき、これを補
正することとする。レーザーロッド１の中心部分の屈折
率を小さくするには、屈折率分布レンズを作製する場合
と同様、レーザーロッド１の外側から光学的特性を損な
わない範囲で金属イオンをドープすればよい。金属イオ
ンをドープすると、イオンの種類によりドープ部分の屈
折率が変化する。したがって、イオンの種類やドープ量
を選択することにより、前記温度分布による屈折率分布
を解消し得る屈折率分布を付与することができる。
【００２０】また、同様のことは、既にレーザーロッド
１内に分布している金属イオンを拡散（out diffusion
）させることによってもできる。いずれの場合にも、
前記金属イオンの濃度変化によってレーザーロッド１の
中心部の屈折率が小さくなるようにしておき、熱レンズ
効果による変化分を考慮した上で熱レンズ効果を補正す
るだけの屈折率変化Δｎを与えておけば、レーザーロッ
ド１内での熱レンズ効果をキャンセルすることができ、
外部での補正を要しない。
１内に分布している金属イオンを拡散（out diffusion
）させることによってもできる。いずれの場合にも、
前記金属イオンの濃度変化によってレーザーロッド１の
中心部の屈折率が小さくなるようにしておき、熱レンズ
効果による変化分を考慮した上で熱レンズ効果を補正す
るだけの屈折率変化Δｎを与えておけば、レーザーロッ
ド１内での熱レンズ効果をキャンセルすることができ、
外部での補正を要しない。
【００２１】具体的には、両面平面カットされたＮｄ：
ＹＡＧ結晶ロッドに前述の屈折率分布処理を施し、さら
に両端面にＨＲコートすることで、超低損失のモノリシ
ックな固体レーザ共振器を構築することが可能となる。
これまでのレーザーダイオード励起ＹＡＧレーザでは、
レーザーロッド１の端面を球面状に加工しており、加工
が難しく、表面精度も平面に比べて悪いものであるた
め、損失が非常に多かったが、この技術を使うことで平
面の加工で済むようになり、製造上のメリットも大き
い。
ＹＡＧ結晶ロッドに前述の屈折率分布処理を施し、さら
に両端面にＨＲコートすることで、超低損失のモノリシ
ックな固体レーザ共振器を構築することが可能となる。
これまでのレーザーダイオード励起ＹＡＧレーザでは、
レーザーロッド１の端面を球面状に加工しており、加工
が難しく、表面精度も平面に比べて悪いものであるた
め、損失が非常に多かったが、この技術を使うことで平
面の加工で済むようになり、製造上のメリットも大き
い。
【００２２】以上、本発明を適用した実施例について説
明してきたが、本発明がこの実施例に限定されるもので
ないことは言うまでもなく、本発明の要旨を逸脱しない
範囲で種々の変更が可能である。
明してきたが、本発明がこの実施例に限定されるもので
ないことは言うまでもなく、本発明の要旨を逸脱しない
範囲で種々の変更が可能である。
【００２３】
【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明においては、固体レーザ材料ロッドの径方向に予め熱
レンズ効果を相殺するような屈折率分布を持たせている
ので、共振器内の損失を抑制することが可能である。ま
た、本発明の固体レーザ材料においては、レーザーロッ
ドの端面を曲面に加工する必要がなく、製造する上で非
常に有利である。
明においては、固体レーザ材料ロッドの径方向に予め熱
レンズ効果を相殺するような屈折率分布を持たせている
ので、共振器内の損失を抑制することが可能である。ま
た、本発明の固体レーザ材料においては、レーザーロッ
ドの端面を曲面に加工する必要がなく、製造する上で非
常に有利である。
【図１】レーザーダイオード励起ＹＡＧレーザの構成例
を示す概略斜視図である。
を示す概略斜視図である。
【図２】レーザーダイオードの励起によりレーザーロッ
ドに発生する温度分布の数値解析結果を示す特性図であ
る。
ドに発生する温度分布の数値解析結果を示す特性図であ
る。
１・・・レーザーロッド（Ｎｄ：ＹＡＧ） ２・・・レーザーダイオード
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−148691（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−146784（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−82683（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−227176（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−184886（ＪＰ，Ａ) 特公 昭47−15055（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭47−9951（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭46−34869（ＪＰ，Ｂ１)
Claims (3)
- 【請求項１】 端面への励起光の照射によりレーザ光を
出力するロッド状の固体レーザ材料において、当該材料の径方向の温度分布により生じる屈折率分布を
相殺するような屈折率分布を径方向に持たせて構成され
たことを特徴とする 固体レーザ材料。 - 【請求項２】 Ｎｄ：ＹＡＧ結晶からなることを特徴と
する請求項１記載の固体レーザ材料。 - 【請求項３】 端面への励起光の照射によりレーザ光を
出力するロッド状の固体レーザ材料において、当該材料
の径方向の温度分布により生じる屈折率分布を相殺する
ような屈折率分布を径方向に持たせて構成された固体レ
ーザ材料と、前記固体レーザ材料の端面に励起光を照射
する励起源とを備えることを特徴とする固体レーザ装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29782691A JP3257808B2 (ja) | 1991-10-04 | 1991-10-04 | 固体レーザ材料及び固体レーザ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29782691A JP3257808B2 (ja) | 1991-10-04 | 1991-10-04 | 固体レーザ材料及び固体レーザ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05102593A JPH05102593A (ja) | 1993-04-23 |
| JP3257808B2 true JP3257808B2 (ja) | 2002-02-18 |
Family
ID=17851663
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29782691A Expired - Fee Related JP3257808B2 (ja) | 1991-10-04 | 1991-10-04 | 固体レーザ材料及び固体レーザ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3257808B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102804052A (zh) * | 2009-06-16 | 2012-11-28 | 松下电器产业株式会社 | 波长转换元件及使用该元件的短波光发生装置 |
-
1991
- 1991-10-04 JP JP29782691A patent/JP3257808B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05102593A (ja) | 1993-04-23 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20000516 |
|
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